（王立志，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，核能科學(xué)與工程）

    前言：

核能是解決未來(lái)能源問(wèn)題的關(guān)鍵，其中乏燃料問(wèn)題是核能發(fā)展所面臨的問(wèn)題之一。今天在這里整理一下核燃料從使用到處置的過(guò)程，讓您分分鐘了解核燃料。 

    1.什么是乏燃料

反應(yīng)堆內(nèi)部其實(shí)和燒水差不多。堆芯就像是一個(gè)巨型的“熱得快”。 ▼

只不過(guò)“熱得快”是靠通電加熱，“燒”的是電；堆芯是靠復(fù)雜的核反應(yīng)加熱，“燒”的核燃料，主要成分是鈾元素。“燒”的過(guò)程就是成千上萬(wàn)的小中子，打在燃料上，燃料發(fā)熱了。▼

核燃料被做成一段一段的，稱為燃料芯塊。▼

但是芯塊不是直接放在反應(yīng)堆內(nèi)的，而是一個(gè)接一個(gè)連成棒，用金屬包住，做成燃料棒。▼

做成棒狀是不是和“熱得快”長(zhǎng)得像好多了。外面這層金屬稱為燃料包殼，成分為金屬鋯。

但是那么大個(gè)的反應(yīng)堆，只放幾根燃料棒不過(guò)癮，因此把燃料棒捆到一起，組成燃料組件。一個(gè)反應(yīng)堆內(nèi)一次放好多捆兒。▼

核燃料“燒”過(guò)之后，也會(huì)變成渣渣，就像煤燒完變成煤渣似的。▼

這些“燒”過(guò)的核燃料就稱為乏燃料。

    2.乏燃料的存儲(chǔ)

剛出爐的乏燃料仍然是發(fā)熱的，這部分熱量稱為衰變熱，是由于衰變產(chǎn)物的β衰變。因此必須給乏燃料降溫，降溫方式有兩種，用水或者空氣。用水降溫就是放在水池內(nèi)，稱為濕式存貯。水池可以是人工建造的，也可以是利用巖洞內(nèi)的水池。▼

用空氣降溫的稱為干式存貯，世界各國(guó)已建成的干式儲(chǔ)存設(shè)施主要有空氣冷卻儲(chǔ)存室、干式混凝土容器、混凝土干井及金屬容器四種。▼

由于乏燃料不只是熱，還具有強(qiáng)烈的放射性，存儲(chǔ)過(guò)程中通過(guò)鋼板和混凝土將放射性屏蔽掉。否則一個(gè)個(gè)小粒子就像是變小的孫悟空，從身體穿過(guò)一次，就會(huì)干掉幾個(gè)細(xì)胞。▼

    3.乏燃料后處理

變廢為寶，循環(huán)利用，一直是可持續(xù)發(fā)展所倡導(dǎo)的。乏燃料內(nèi)也有很多值得利用的元素，因此就把它們那么晾著太可惜了，要對(duì)乏燃料進(jìn)行后處理，取出有用的元素。首先來(lái)看一下，乏燃料里面有什么。

新的核燃料內(nèi)含有3%的鈾-235,97%的鈾-238。▼

而乏燃料內(nèi)的成分就復(fù)雜了，3%的高放射性水平的裂變產(chǎn)物，1%的鈾-235，1%的钚和95%的鈾-238。其中鈾和钚都是可以利用的元素。裂變產(chǎn)物中也有一些可利用的元素，鍶-90、銫-137和超鈾元素镎、镅和鋦等。▼

因此，要想回收利用這些可用元素，需要對(duì)乏燃料進(jìn)行后處理。處理過(guò)程分為：冷卻、首端處理、分離與凈化。▼

冷卻，就是之前提到的放在大水池子內(nèi)降溫。

首端處理，開(kāi)始像是切蔥花一樣，將乏燃料組件切割成小短段，然后將從包殼中裸露出來(lái)的燃料芯塊進(jìn)行化學(xué)溶解。當(dāng)然蔥花是在菜板上切，乏燃料是在水池底部遙控切割。▼

有時(shí)候僅僅切割還不能把包殼和燃料分離，這時(shí)候就需要用化學(xué)試劑將包殼溶解。溶解包殼和芯塊所用的化學(xué)試劑主要是硝酸。▼

乏燃料分離方法可分為水法和干法兩大類。

所謂水法，就是把乏燃料溶解在化學(xué)試劑中，濾掉渣渣，提取想要的元素。主要有：磷酸鉍流程、Redox流程、Butex流程、Purex流程等。迄今為止，工業(yè)化后處理廠采用的都是水法技術(shù)。而水法后處理的主導(dǎo)工藝是1949年由美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的Purex流程。主要采用硝酸、磷酸三丁酯、煤油或正十二烷等化學(xué)試劑。▼

所謂干法，就是利用揮發(fā)、結(jié)晶等方法，不用硝酸等化學(xué)試劑，而是用液態(tài)金屬、熔鹽等。干法流程主要有：高溫冶金法、高溫化學(xué)法和氟化揮發(fā)法。▼

    4.乏燃料后處理中的廢料

盡管通過(guò)后處理技術(shù)可以將乏燃料中可利用的元素提取出來(lái)，但是在后處理過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生一些核廢料，其中一些元素具有很強(qiáng)的反射性。

對(duì)于放射性廢氣的處理，主要方法是是對(duì)其進(jìn)行凈化。對(duì)于放射性廢水的處理，就像湯太咸了，向里面加水一樣，進(jìn)行稀釋，稀釋后經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)處理后再做成固體。▼

對(duì)于放射性固體廢物的處理，主要是深地質(zhì)層處置，采用水泥、瀝青、塑料、玻璃、有機(jī)和無(wú)機(jī)涂料、金屬等包覆設(shè)備表面或整體，將放射性核素長(zhǎng)期固定和封閉在固化體中，固化后存放到入深地層處置庫(kù)內(nèi)，使其與生物圈隔離。▼

比較著名的深地層處置庫(kù)為美國(guó)的尤卡處置庫(kù)，位于拉斯維加斯山谷西北80英里（130公里）處，內(nèi)華達(dá)州南部中心地區(qū)靠近與加利福尼亞州交界處的山脊線內(nèi)。▼

1987年，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)《核廢物政策法修訂案》(NWPAA)，指定尤卡山場(chǎng)址為唯一高放廢物處置庫(kù)候選場(chǎng)址。

2002年7月9日，由總統(tǒng)推薦并經(jīng)美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)，尤卡山場(chǎng)址被確定為高放廢物地質(zhì)處置的最終場(chǎng)址。

2008年6月，在大幅拖延后，美國(guó)能源部向核管會(huì)遞交了長(zhǎng)達(dá)8600頁(yè)的尤卡山處置庫(kù)建造許可證申請(qǐng)書(shū)。

2009年，奧巴馬在贏得選舉后，表示將削減2010財(cái)年尤卡山項(xiàng)目的全部撥款。

2010年3月3日，能源部正式向核管會(huì)提交申請(qǐng)，撤銷尤卡山處置庫(kù)建造許可證申請(qǐng)書(shū)。美國(guó)唯一的高放廢物地質(zhì)處置項(xiàng)目已經(jīng)正式終止。▼

    5.未來(lái)乏燃料的出路------嬗變

所謂嬗變，就是利用核反應(yīng)一種化學(xué)元素轉(zhuǎn)化成另外一種元素。例如將乏燃料內(nèi)長(zhǎng)壽命的裂變產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成短壽命的。這個(gè)過(guò)程可以在加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng) (ADS)中實(shí)現(xiàn)。▼

      結(jié)束語(yǔ)：

“合抱之木，生于毫末；九層之臺(tái)，起于累土；千里之行，始于足下。”盡管乏燃料的一些問(wèn)題還有待解決，但是我堅(jiān)信，隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展以及電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，乏燃料的處理技術(shù)會(huì)越來(lái)越先進(jìn)，越來(lái)越成熟，核能終將解決人類的能源問(wèn)題。

本文轉(zhuǎn)載在中國(guó)核網(wǎng)